基于數(shù)字信號處理的CO2短路過渡數(shù)字信息控制

麗 娜

呼倫貝爾學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000

0 引言

CO2氣保護焊具有高效、節(jié)能、使用范圍廣、便于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在汽車車身補焊等工業(yè)生產(chǎn)中得到大力使用。但它也具有飛濺大和焊縫成形差等缺陷，不僅造成材料浪費，而且大量的飛濺帶來了后續(xù)清渣工作，給工作人員帶來工作負擔(dān)。因此，減少CO2焊接的飛濺和產(chǎn)生飛濺的原理成為焊接工作者研究的一道重要課題。隨著數(shù)字信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，嵌入式處理芯片ARM、數(shù)字信號處理器DSP 等芯片被運用到焊接電源中，本文就此提出了基于數(shù)字信號處理的全數(shù)字化CO 2 焊機系統(tǒng)——由微處理器TMS320F240，電壓控制為外環(huán)、電流控制為內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1 CO2焊接的相關(guān)研究

CO2焊接是一種比較高效、成本低、應(yīng)用廣泛、節(jié)能的焊接方法，在工業(yè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。但是人們對CO2焊接相關(guān)理論了解的不是很深入，在CO2焊接中存在飛濺大、焊縫成形差等問題，在一定程度上限制了CO2焊接技術(shù)的使用。當(dāng)下降低CO2焊接飛濺問題時焊接相關(guān)工作者研究的一個重要課題。

短路過渡CO2焊的飛濺主要有3 種形式：一是在短路初期階段，由于熔滴與熔池的接觸面積不大，而電流大，熔滴在電磁收縮力作用下迅速的被排斥出熔池，從而造成飛濺；二是在短路末期階段，液橋比較容易受到電磁力、表面張力等的影響，在其共同作用下，液橋會縮頸，致使流經(jīng)縮頸最小截面的電流密度在一瞬間猛增，使能量堆積在一塊，導(dǎo)致縮頸在高溫下汽化爆炸，從而造成大量的飛濺，這種形式被稱為“電爆炸”；三是在燃弧初期階段，在電弧重新燃燒的同時，由于距離熔池比較近，電弧重燃的大電流對熔池形成很大的電弧吹力，導(dǎo)致液體金屬濺出。

為此，很多焊接工作者對減少CO2焊接的飛濺進行了相關(guān)研究：早期的應(yīng)對措施主要是對焊接主回路進行相應(yīng)的措施，比如串入限制電路電流上升速度的電感等，隨后前蘇聯(lián)學(xué)者Pinchuck 在二十世紀八十年代初提出波形控制模式，1993年美國學(xué)者Stava 提出了STT 技術(shù)。而隨著時代經(jīng)濟的不斷發(fā)展，焊接產(chǎn)品質(zhì)量越來越受到國家和相關(guān)企業(yè)的關(guān)注，根據(jù)相關(guān)研究，我們知道短路過渡的飛濺在保證焊接質(zhì)量上有著十分重要的作用，且CO2短路過渡氣保護焊的焊接電流及焊接電壓中有著豐富的電弧穩(wěn)定性和熔滴過渡等信息，所以要對飛濺相關(guān)原理及計算方法進行相關(guān)的了解。

本文在數(shù)字信號處理相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，運用DSP 芯片（選取的是TMS320F240）在線對焊接電弧信號進行分析，主要分析內(nèi)容是電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡形式以及飛濺大小等信息，然后運用所獲的信息資料進行焊接電源的雙閉環(huán)智能控制，建立科學(xué)的、行之有效的焊接電源數(shù)字化、信息化的控制平臺，讓焊接電源從模擬控制逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)字控制和信息控制，有效的降低CO2焊接的飛濺，提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量。

2 數(shù)字信息控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計圖型及其分析

短路過渡作為CO2氣保焊熔滴過渡形式的主要形式，是短路和電弧的交替過程，這對焊接電源提出高要求：動特性高。為滿足CO2焊熔滴順利過渡、降低飛濺的設(shè)計要求，本文所設(shè)計的硬件電路原理如下圖1，且相應(yīng)的控制波形如圖2.

圖1 CO2焊接飛濺控制系統(tǒng)硬件原理

圖2 CO2焊接飛濺控制系統(tǒng)電壓、電流波形

在圖2 中，t1～t3 為燃弧階段，在t1 處形成壓峰，電弧呈現(xiàn)穩(wěn)定燃燒狀態(tài)，電壓逐漸下降，這一階段的熔池不是很穩(wěn)定，電流會對熔池造成震蕩，所以要相應(yīng)的降低電流值，使熔池在t2 時間點上基本穩(wěn)定，且保持電流不變讓熔池充分擴散開來，增加熔池的穩(wěn)定性；t3～t6 為短路階段，由圖可知，電壓從t3 時間點開始后急劇下降，由于該時間段熔池穩(wěn)定不夠，能量過大會造成電磁力增大導(dǎo)致飛濺，所以此時要及時的降低電流；然后在熔池逐漸穩(wěn)定之時，加大電流增長率di/dt，從而縮短短路時間，有利于液橋的縮頸，減小飛濺；在t5時間點之后小橋進入爆斷時期，要特別注意對最高電流的控制，把峰值電流控制在一定范圍內(nèi)，避免因小橋爆斷增加飛濺且破壞燃弧穩(wěn)定性等事故的發(fā)生。

要實現(xiàn)上述波形控制，控制系統(tǒng)使用的是雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓控制環(huán)，電流環(huán)在短路階段是單獨反應(yīng)的，電流波形隨給定波形的變化而進行相應(yīng)的改變；而在燃弧階段，電流電壓共同起作用，通過系統(tǒng)運作得到的電壓與給定電壓進行對比，然后經(jīng)PI 調(diào)整后得到的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的輸入，那么，電壓環(huán)的輸出就是電流環(huán)的給定電流，把給定電流與反饋電流進行對比，經(jīng)內(nèi)環(huán)PI 進行相應(yīng)的誤差調(diào)整，達到維護電弧電壓穩(wěn)定的目的。

2.2 相關(guān)控制硬件設(shè)計算法

1）電壓環(huán)PI 控制器算法電壓環(huán)是使用數(shù)字PI 進行相應(yīng)的調(diào)整，且增量式PI 算法公式為

2）電流環(huán)PI 控制器算法

由于傳統(tǒng)的PID 控制器條件有限，難以滿足電弧強非線性、時變性等要求，所以本文使用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)PI 控制組合的算法，具體來說，就是把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)、并行處理、自學(xué)習(xí)等特點和傳統(tǒng)的PI 控制的實時掌握電源動、靜特性等特點有機統(tǒng)一起來。那么有：

單神經(jīng)元的算法為，由①令

則神經(jīng)元的輸出為

其中，iW為神經(jīng)元的權(quán)值，且選擇Delta 學(xué)習(xí)算法，則有：

其中，η為學(xué)習(xí)效率，且η＞0。

然后算出最小性能允許誤差，就可以建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3 數(shù)字信息控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)

3.1 數(shù)字信息處理主控程序開發(fā)設(shè)計

DSP 芯片是在20 世紀80年代開發(fā)出來的，具有穩(wěn)定性、可重復(fù)性、大規(guī)模集成、可編程、可進行實時處理等特點，為數(shù)字信號處理的發(fā)展打下了良好的物質(zhì)條件。DSP 芯片使數(shù)字信號處理工具更加靈活且功能更加完備，隨著現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP 算法不斷提高，數(shù)字信號處理逐漸向高速實時控制轉(zhuǎn)變。

本文主要運用的DSP 芯片是美國Ti 公司生產(chǎn)的TMS320F240，這種芯片具有模數(shù)A/D 轉(zhuǎn)換模塊、竄行外設(shè)接口、FLASH 和PWM 存儲器等功能。

本文系統(tǒng)CO2氣保焊電源中使用的DSP 芯片主要職責(zé)是進行數(shù)據(jù)信號的處理與控制算法的執(zhí)行，且焊接過程的主要控制過程如下：首先進行主程序初始化，進行相關(guān)數(shù)據(jù)初始化設(shè)置（主要初始化設(shè)置對象是DSP 的時鐘、A/D 采樣模塊、D/A 輸出和PWM 輸出等），然后是進行焊接工藝參數(shù)設(shè)定，檢測焊槍是否閉合，若焊槍是閉合的，那么就打開氣閥進行提前送氣（大概為2s），接著慢送絲啟動引弧程序，在引弧程序正常進行后調(diào)用波形控制子程序（包括短路控制和燃弧控制），再接著檢查焊槍開關(guān)的關(guān)斷情況，如果開關(guān)是斷開的，那么進行焊機是否處于4T 狀態(tài)檢查，是的話說明焊機還是在正常運行狀態(tài)，若不是就說明焊機此時處于2T 狀態(tài)，把焊槍開關(guān)給斷開，調(diào)用收弧控制結(jié)束焊接，在關(guān)機后進行相關(guān)焊接參數(shù)的保存。

3.2 人機交互模塊開發(fā)

本系統(tǒng)設(shè)計增加了人機交互模塊這一部分，主要使用的是STM32F100 芯片（是由意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的），這種芯片的時鐘頻率最大值為72 兆赫茲，它的主要功能是對鍵盤和編碼器進行掃描監(jiān)控，實現(xiàn)人機交互輸入。

具體來說，就是STM32F100 芯片把掃描到的輸入數(shù)值經(jīng)由SPI 接口傳輸給DSP 進行分析，然后實現(xiàn)焊接參數(shù)的人為設(shè)置。同時芯片把輸入數(shù)值經(jīng)由SPI 接口傳輸給DSP 過程中檢測到的焊接電流電壓數(shù)值等焊接參數(shù)在LED 和LCD 中顯示出來，方便焊接人員進行實時查看，從而采取相應(yīng)的措施避免出現(xiàn)飛濺大的問題。

4 系統(tǒng)試驗結(jié)果和展望

綜上所述，通過該系統(tǒng)波形圖分析得到的實測波形與設(shè)計波形基本是一致的，在焊接中飛濺也比較小，說明該系統(tǒng)是合理有效的。

總而言之，本文提出的基于數(shù)字信號處理的CO2短路過渡全數(shù)字化系統(tǒng)——微處理器TMS320F240，雙閉環(huán)控制，人機交互模塊設(shè)計綜合數(shù)字控制系統(tǒng)，隨著社會經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展會得到更多的研究和學(xué)習(xí)，而下一步就是解決 CO2焊接電磁干擾的問題。

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